高靈敏度寬譜響應(yīng)石墨烯光電探測(cè)器研究

穩(wěn)定光源的譜寬是指穩(wěn)定光源輸出光譜從其最大點(diǎn)下降3dB所對(duì)應(yīng)的寬度。

光電探測(cè)器件的應(yīng)用選擇， 實(shí)際上是應(yīng)用時(shí)的一些事項(xiàng)或要點(diǎn)。在很多要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用中，可采用任何一種光電探測(cè)器件。不過在某些情況下，選用某種器件會(huì)更合適些。例如，當(dāng)需要比較大的光敏面積時(shí)，可選用真空光電管，因其光譜響應(yīng)范圍比較寬，故真空光電管普遍應(yīng)用于分光光度計(jì)中。當(dāng)被測(cè)輻射信號(hào)微弱、要求響應(yīng)速度較高時(shí)，采用光電倍增管最合適，因?yàn)槠浞糯蟊稊?shù)可達(dá)to'以上，這樣高的增益可使其信號(hào)超過輸出和放大線路內(nèi)的噪聲分量，使得對(duì)探測(cè)器的限制只剩下光陰極電流中的統(tǒng)計(jì)變化。因此，在天文學(xué)、光譜學(xué)、激光測(cè)距和閃爍計(jì)數(shù)等方面，光電倍增管得到廣泛應(yīng)用。

固體光電探測(cè)器用途非常廣。CdS光敏電阻因其成本低而在光亮度控制(如照相自動(dòng)曝光)中得到采用;光電池是固體光電器件中具有最大光敏面積的器件，它除用做探測(cè)器件外，還可作太陽(yáng)能變換器;硅光電二極管體積小、響應(yīng)快、可靠性高，而且在可見光與近紅外波段內(nèi)有較高的量子效率，困而在各種工業(yè)控制中獲得應(yīng)用。硅雪崩管由于增益高、響應(yīng)快、噪聲小，因而在激光測(cè)距與光纖通信中普遍采用。

photoconductive detector 利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種光探測(cè)器件。所謂光電導(dǎo)效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。光電導(dǎo)探測(cè)器在軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測(cè)量和探測(cè)、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等;在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導(dǎo)體的另一應(yīng)用是用它做攝像管靶面。為了避免光生載流子擴(kuò)散引起圖像模糊，連續(xù)薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取鑲嵌靶面的方法，整個(gè)靶面由約10萬個(gè)單獨(dú)探測(cè)器組成。

1873年，英國(guó)W.史密斯發(fā)現(xiàn)硒的光電導(dǎo)效應(yīng)，但是這種效應(yīng)長(zhǎng)期處于探索研究階段，未獲實(shí)際應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著半導(dǎo)體的發(fā)展，各種新的光電導(dǎo)材料不斷出現(xiàn)。在可見光波段方面，到50年代中期，性能良好的硫化鎘、硒化鎘光敏電阻和紅外波段的硫化鉛光電探測(cè)器都已投入使用。60年代初，中遠(yuǎn)紅外波段靈敏的Ge、Si摻雜光電導(dǎo)探測(cè)器研制成功，典型的例子是工作在3~5微米和8~14微米波段的Ge:Au(鍺摻金)和Ge:Hg光電導(dǎo)探測(cè)器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可變禁帶寬度的三元系材料的研究取得進(jìn)展。 工作原理和特性 光電導(dǎo)效應(yīng)是內(nèi)光電效應(yīng)的一種。當(dāng)照射的光子能量hv等于或大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg時(shí)，光子能夠?qū)r(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生導(dǎo)電的電子、空穴對(duì),這就是本征光電導(dǎo)效應(yīng)。這里h是普朗克常數(shù)，v是光子頻率,Eg是材料的禁帶寬度(單位為電子伏)。因此，本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長(zhǎng)波限λc為 λc=hc/Eg=1.24/Eg (μm) 式中 c為光速。本征光電導(dǎo)材料的長(zhǎng)波限受禁帶寬度的限制。

在60年代初以前還沒有研制出適用的窄禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，因而人們利用非本征光電導(dǎo)效應(yīng)。Ge、Si等材料的禁帶中存在各種深度的雜質(zhì)能級(jí)，照射的光子能量只要等于或大于雜質(zhì)能級(jí)的離化能，就能夠產(chǎn)生光生自由電子或自由空穴。非本征光電導(dǎo)體的響應(yīng)長(zhǎng)波限λ由下式求得 λc=1.24/Ei 式中Ei代表雜質(zhì)能級(jí)的離化能。到60年代中后期，Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半導(dǎo)體材料研制成功,并進(jìn)入實(shí)用階段。它們的禁帶寬度隨組分x值而改變，例如x=0.2的HG0.8Cd0.2Te材料，可以制成響應(yīng)波長(zhǎng)為 8~14微米大氣窗口的紅外探測(cè)器。它與工作在同樣波段的Ge:Hg探測(cè)器相比有如下優(yōu)點(diǎn):

工作溫度高(高于77K)，使用方便,而Ge:Hg工作溫度為38K;本征吸收系數(shù)大,樣品尺寸小;易于制造多元器件。表1和表2分別列出部分半導(dǎo)體材料的Eg、Ei和λc值。

通常，凡禁帶寬度或雜質(zhì)離化能合適的半導(dǎo)體材料都具有光電效應(yīng)。但是制造實(shí)用性器件還要考慮性能、工藝、價(jià)格等因素。常用的光電導(dǎo)探測(cè)器材料在射線和可見光波段有:CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近紅外波段有:PbS、InGaAs、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在長(zhǎng)于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si摻雜、Ge摻雜等;CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光電導(dǎo)探測(cè)器。 可見光波段的光電導(dǎo)探測(cè)器 CdS、CdSe、CdTe 的響應(yīng)波段都在可見光或近紅外區(qū)域，通常稱為光敏電阻。它們具有很寬的禁帶寬度(遠(yuǎn)大于1電子伏),可以在室溫下工作，因此器件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般采用半密封式的膠木外殼，前面加一透光窗口，后面引出兩根管腳作為電極。高溫、高濕環(huán)境應(yīng)用的光電導(dǎo)探測(cè)器可采用金屬全密封型結(jié)構(gòu)，玻璃窗口與可伐金屬外殼熔封。

器件靈敏度用一定偏壓下每流明輻照所產(chǎn)生的光電流的大小來表示。例如一種CdS光敏電阻,當(dāng)偏壓為70伏時(shí)，暗電流為10-6~10-8安，光照靈敏度為3~10安/流明。CdSe光敏電阻的靈敏度一般比 CdS高。光敏電阻另一個(gè)重要參數(shù)是時(shí)間常數(shù) τ，它表示器件對(duì)光照反應(yīng)速度的大小。光照突然去除以后，光電流下降到最大值的 1/e(約為37%)所需的時(shí)間為時(shí)間常數(shù) τ。也有按光電流下降到最大值的10%計(jì)算τ的;各種光敏電阻的時(shí)間常數(shù)差別很大。CdS的時(shí)間常數(shù)比較大(毫秒量級(jí))。 紅外波段的光電導(dǎo)探測(cè)器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用響應(yīng)波段在 1~3微米、3~5微米、8~14微米三個(gè)大氣透過窗口。由于它們的禁帶寬度很窄，因此在室溫下，熱激發(fā)足以使導(dǎo)帶中有大量的自由載流子，這就大大降低了對(duì)輻射的靈敏度。

響應(yīng)波長(zhǎng)越長(zhǎng)的光，電導(dǎo)體這種情況越顯著，其中1~3微米波段的探測(cè)器可以在室溫工作(靈敏度略有下降)。3~5微米波段的探測(cè)器分三種情況:

在室溫下工作，但靈敏度大大下降，探測(cè)度一般只有1~7×108厘米·瓦-1·赫;熱電致冷溫度下工作(約-60℃),探測(cè)度約為109厘米·瓦-1·赫;77K或更低溫度下工作,探測(cè)度可達(dá)1010厘米·瓦-1·赫以上。8~14微米波段的探測(cè)器必須在低溫下工作，因此光電導(dǎo)體要保持在真空杜瓦瓶中，冷卻方式有灌注液氮和用微型制冷器兩種。

紅外探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)比光敏電阻小得多,PbS探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)一般為50~500微秒,HgCdTe探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)在10-6~10-8秒量級(jí)。紅外探測(cè)器有時(shí)要探測(cè)非常微弱的輻射信號(hào),例如10-14 瓦;輸出的電信號(hào)也非常小,因此要有專門的前置放大器。

在動(dòng)態(tài)特性(即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng))方面，以光電倍增管和光電二極管(尤其是PIN管與雪崩管)為最好;在光電特性(即線性)方面，以光電倍增管、光電二極管和光電池為最好;在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。值得指出的是，靈敏度高不一定就是輸出電流大，而輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管;外加偏置電壓最低的是光電二極管、光電三極管，光電池不需外加偏置;在暗電流方面，光電倍增管和光電二極管最小，光電池不加偏置時(shí)無暗電流，加反向偏置后暗電流也比光電倍增管和光電二極管大;長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定性方面，以光電二極管、光電池為最好，其次是光電倍增管與光電三極管;在光譜響應(yīng)方面，以光電倍增管和CdSe光敏電阻為最寬，但光電倍增管響應(yīng)偏紫外方向，而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方向。